SCR脱硝系统分区控制式喷氨格栅的优化

安徽芜湖电厂2#炉喷氨格栅采用分区控制式喷射技术。由于格栅阀门开度、浓度场、速度场三者之间耦合较差,导致反应器出口烟道NH3/NOx分布极不均匀,实测NOx最大偏差达74.7mg•m-3,NH3逃逸率最高达11.4μL•L-1,下游空气预热器安全运行受到严重影响。

基于全区域NH3/NOx等摩尔比理念,并综合考虑该反应器入口的浓度场和速度场状况进行喷氨格栅优化。调整后,在660、500、330MW3种典型工况下,NOx浓度最大偏差分别降至5.8、10.3、11.8mg•m-3,NH3逃逸率由调前的4.64μL•L-1分别降至调后的2.67、3.03、2.14μL•L-1。系统总效率基本不变,但效率峰谷差异下降明显。

选择性催化还原技术是当前世界上脱氮主流工艺。火电厂大气污染物排放控制标准GB13223-2011的颁布使国内在短期内大面积投运SCR脱硝系统,相关学者[1-7]在流场、系统模拟方面也做了较多研究;但在运行优化方面前期缺乏积累,逐渐暴露出诸如效率不稳、空气预热器堵塞严重,甚至炉膛负压波动剧烈,不得不停炉吹扫等问题[8-11]。

尤其是环保排放标准的进一步严苛后,大部分机组面临“超净排放”的需求,对SCR反应器内的速度场、浓度场、喷氨格栅喷射三者之间的耦合提出了更高要求,系统均流与混合是脱硝系统运行优化的关键之一[12-16]。

本文拟以安徽芜湖电厂660MW机组2#炉SCR脱硝装置为对象,通过现场测试,调整氨喷射系统各支管的气氨流量,以消除局部过大的氨逃逸区域,改善入口氨喷射均匀性,最大限度减少氨逃逸对空预器的影响,提出有效的喷氨格栅优化与均匀混合实施方案。

1实验装置、测试仪器及方法

1.1实验装置

芜湖发电有限责任公司2#锅炉装机容量660MW,共配置2台SCR反应器,采用高温高尘布置。烟气在锅炉出口处被均分成两路,每路烟烟气并行分别进入一个垂直布置的SCR反应器,其截面尺寸为4.8m×9m,烟气向下流过整流器、催化剂层。烟道内设计烟气流速不大于15m•s-1,催化剂区域内流速为4~5m•s-1。

1.2测试仪器

NO、O2进出口浓度采用德国德图公司Testo350型烟气分析仪测定,NO量程0~500μL•L-1,精度0.1μL•L-1,O2量程0%~25%,精度0.01%;NH3逃逸率采用自制氨化学取样系统测定,配套用3071型智能烟气采样器流量范围1.0~3.0L•min-1,精度±5%,烟气取样枪长度为5m,压力测试用WOBI膜盒压力表,量程0~2000Pa,精度±5Pa,配套4.5m的S型皮托管1根,校正系数为0.84。

1.3测试方法

通过网格布点测量SCR装置的入口及出口烟道,烟道共布置10个测孔,编号依次为B5→B1、A5→A1,其中NO、O2取样点共选取2×5×5个(取深度方向5点均值),NH3取样点共选取2×5×1个,具体布置如图1所示。NO、O2经Testo350烟气分析仪直接测定,氨逃逸样品采用美国EPA的CTM-027标准以化学溶液法采集,取样时间20min。通过分析样品溶液中的氨浓度(见图2),并根据所采集的干态烟气流量和O2,计算各点干基烟气NH3浓度。

2喷氨格栅优化前装置状态

2.1速度场分布

图3为反应器出口烟道的速度场分布示意图,从图可知,出口烟气流速与负荷关系密切,且与测孔位置有关。3种负荷工况下,B侧速度均值分别为14.1、11.3、8.4m•s-1,A侧均值分别为13.8、10.6、8.3m•s-1,均值比分别为1.02、1.07、1.00。

两侧反应器总体风量较均匀,受负荷波动性较小。此外,反应器入口烟道烟气流速分布均匀,其中B侧烟气流速偏差分别为0.4、0.8、0.5m•s-1,相对偏差分别为2.8、7.1、6.0%,A侧内外侧绝对偏差为1.3、0.6、0.6m•s-1,相对偏差分别为9.4%、5.7%、7.2%。这表明速度场的波动对喷氨格栅优化调整基本没有影响。

2.2浓度场分布

图4为反应器入口烟道不同测孔位置NOx浓度分布示意图,可知,入口NOx浓度与负荷、测孔位置关系密切。3种负荷工况下,B侧均值分别为361、281、344mg•m-3,A侧均值为分别为300、253、372mg•m-3,均值之比分别为1.20、1.11、0.93。

NOx浓度均呈现外侧低、内侧高的趋势,其中B侧内外侧绝对偏差分别为36.8、57.8、59.5mg•m-3,相对偏差分别为10.2%、20.6%、17.3%,A侧内外侧绝对偏差为49.3、34.3、70.8mg•m-3,相对偏差分别为16.4%、13.6%、19.0%。整体而言,反应器入口浓度场分布差异性较大,是喷氨格栅优化调整的一个不可忽视的重要因素。

从图5可以看出,根据出口NOx浓度和氨逃逸浓度的对应关系,NOx浓度较低的区域对应较大的喷氨量,极易产生较大氨逃逸浓度。B1、A5等2个测孔位置出口NOx浓度均小于20mg•m-3,其代价是很大的喷氨量和较高的氨逃逸。

经计算,B1~B5、A1~A5共10个测孔NH3逃逸率分布均值浓度为4.64μL•L-1。为此,应通过调节各区域的AIG喷氨,最大限度提高反应器出口NOx分布的均匀性。AIG优化调整实验通过分析每个测试工况下SCR出口的NOx分布,不断对反应器入口两侧各个支管的喷氨阀开度进行优化调节。

3氨喷射阀门调整

安徽芜湖电厂每个反应器入口烟道均布置区域型喷氨格栅1套,均具备宽度方向及深度方向调节功能。每套喷氨格栅对应25根喷氨支管,而每5根喷氨支管一组控制一块区域,测孔与喷氨支管对应关系为:A1或B1(支管1~5)、A2或B2(支管6~10)、A3或B3(支管11~15)、A4或B4(支管16~20)、A5或B5(支管21~25)。每路支管控制8个喷嘴,支管的开度范围为1~10,每根氨分配管上均设有手动调阀可以调节各支管的氨喷射流量。

调前、调后喷氨格栅阀门开度分别见图6、图7。

本次喷氨格栅优化调整假设和原则如下:

1)反应器出口截面NOx和NH3相对偏差为优化调整最终考核指标;

2)调整过程中应综合考虑锅炉负荷、速度场、浓度场等多种因素,按照NH3/NOx等摩尔比理念进行调节;

3)反应器催化剂床层运行正常,没有催化剂积灰、堵塞、中毒等现象;

4)SCR烟气脱硝装置AB侧喷氨格栅母管、喷氨格栅支管运行正常,没有腐蚀、堵塞等情况发生,同样开度下流量相同。

4喷氨格栅优化后效果分析

4.1反应器出口NOx浓度分布

图8为4种工况反应器出口烟道不同测孔NOx浓度分布示意图。

可知,机组调前在660MW负荷下,均值浓度分别为56、43.5mg•m-3,但不同测孔的NOx浓度差异较大,其中B侧NOx浓度最大偏差为74.7mg•m-3、而A侧为56.2mg•m-3。喷氨格栅优化调整后,NOx均值浓度基本不变,而在660、500、330MW负荷下,NOx浓度差异性均明显降低,B侧最大偏差分别降至3.9、13.6、8.6mg•m-3,而A侧对应偏差分别为7.9、7.0、15.1mg•m-3。

4.2反应器出口NH3逃逸率分布

图9为4种工况反应器出口烟道不同测孔NH3逃逸率分布示意图。

可知,机组调前在660MW负荷下,不同测孔的氨逃逸率波动范围很大,B侧氨逃逸介于1.45~11.38μL•L-1,A侧氨逃逸介于2.47~10.29μL•L-1,系统氨逃逸均值为4.64μL•L-1。原因在于:系统喷氨量、速度场、浓度场三者之间耦合较差,反应器截面区域内NH3/NOx分布不均匀,从而形成部分区域氨偏多或偏少的情况。

优化调后机组660MW负荷下,氨逃逸B侧波动范围为2.16~2.98μL•L-1,A侧波动范围为2.49~3.16μL•L-1,系统平均为2.67μL•L-1。调后机组500MW负荷下,氨逃逸B侧波动范围为2.03~3.21μL•L-1,A侧波动范围为3.08~3.74μL•L-1,系统平均为3.03μL•L-1。

调后机组330MW负荷下,氨逃逸B侧波动范围为2.07~2.81μL•L-1,A侧波动范围为1.68~2.49μL•L-1,系统平均为2.14μL•L-1。较调前660MW负荷分别下降了1.97、1.61、2.50μL•L-1,降幅分别为42.4%、34.8%、53.8%。这表明:喷氨格栅调整后,由于局部区域(B1、A5、A4)喷氨量大幅降低,氨逃逸畸高点消除,系统喷氨更加均匀,从而带动整个系统氨逃逸率的大幅下降。

4.3系统脱硝效率分布

图10为4种工况系统脱硝效率分布示意图。

可知,机组调前在660MW负荷下,不同位置的脱硝效率波动剧烈,B侧效率介于73.4%~94.7%,A侧效率介于75.6%~94.4%,系统效率均值为84.8%,其原因在于:燃煤电站锅炉SCR烟气脱硝的氨喷射技术主要包括涡流式静态混合、线性控制式喷氨格栅、分区控制式喷射格栅等,本研究对象喷氨格栅布置属于后者,其特征是把烟道截面分成25个大小相同的区域,以匹配烟气中NOx的分布,由于相应区域氨喷射流量控制不合理,从而导致反应器出口截面效率的不均匀。

调后机组660MW负荷下,脱硝效率B侧介于83.7%~85.5%,A侧介于83.9%~87.1%,系统平均为85.0%。调后机组500MW负荷下,脱硝效率B侧介于79.8%~86.1%,A侧介于83.8%~86.5%,系统平均为84.6%。调后机组330MW负荷下,脱硝效率B侧介于83.0%~87.8%,A侧介于80.1%~87.0%,系统平均为84.4%。3种工况负荷下,系统总效率基本与调前持平,但效率峰谷差异大幅下降。

5结论

1)安徽芜湖电厂2#炉喷氨格栅采用分区控制式喷射技术,由于喷氨格栅阀门开度、浓度场、速度场三者之间耦合性较差,导致反应器出口烟道NH3/NOx分布极不均匀。在660MW负荷下,实测NOx最大偏差达74.7mg•m-3,NH3逃逸率最高达11.4μL•L-1,严重威胁下游空气预热器安全运行。

2)在660、500、330MW负荷下,反应器入口烟道NOx均值偏差分别为13.4%、17.1%、18.1%,而速度均值偏差分别为6.1%、6.4%、6.6%。不同测孔位置浓度场分布差异性较大,是喷氨格栅优化调整的一个不可忽视的重要因素,而反应器入口速度场分布相对均匀,对喷氨格栅优化调整影响较小。

3)基于全区域NH3/NOx等摩尔比理念,并综合SCR反应器的浓度场和速度场状况进行喷氨格栅优化。在660、500、330MW负荷下,A/B两侧均值NOx浓度偏差由调前的65.5mg•m-3分别降至5.8、10.3、11.8mg•m-3,NH3逃逸率由调前的4.64μL•L-1分别降至2.67、3.03、2.14μL•L-1。3种工况负荷下,系统总效率基本不变,但其峰谷差异下降明显。